Optimization of Segmentation-Based Video Sequence Coding Techniques. Application to content based functionalities

Abstract

En aquest treball s'estudia el problema de la compressió de video utilitzant funcionalitats basades en el contingut en el marc teòric dels sistemes de codificació de seqüències de video basats en regions. Es tracten bàsicament dos problemes: El primer està relacionat amb com es pot aconseguir una codificació òptima en sistemes de codificació de video basats en regions. En concret, es mostra com es pot utilitzar un metodologia de 'rate-distortion' en aquest tipus de problemes. El segon problema que es tracta és com introduir funcionalitats basades en el contingut en un d'aquests sistemes de codificació de video.<br/>La teoria de 'rate-distortion' defineix l'optimalitat en la codificació com la representació d'un senyal que, per una taxa de bits donada, resulta en una distorsió mínima al reconstruir el senyal. En el cas de sistemes de codificació basats en regions, això implica obtenir una partició òptima i al mateix temps, un repartiment òptim dels bits entre les diferents regions d'aquesta partició. Aquest problema es formalitza per sistemes de codificació no escalables i es proposa un algorisme per solucionar-lo. Aquest algorisme s'aplica a un sistema de codificació concret anomenat SESAME. En el SESAME, cada quadre de la seqüència de video es segmenta en un conjunt de regions que es codifiquen de forma independent. La segmentació es fa seguint criteris d'homogeneitat espaial i temporal. Per eliminar la redundància temporal, s'utilitza un sistema predictiu basat en la informació de moviment tant per la partició com per la textura. El sistema permet seguir l'evolució temporal de cada regió per tota la seqüència. Els resultats de la codificació són òptims (o quasi-òptims) pel marc donat en un sentit de 'rate-distortion'. El procés de codificació inclou trobar una partició òptima i també trobar la tècnica de codificació i nivell de qualitat més adient per cada regió. <br/>Més endavant s'investiga el problema de codificació de video en sistemes amb escalabilitat i que suporten funcionalitats basades en el contingut. El problema es generalitza incloent en l'esquema de codificació les dependències espaials i temporals entre els diferents quadres o entre les diferents capes d'escalabilitat. En aquest cas, la solució requereix trobar la partició òptima i les tècniques de codificació de textura òptimes tant per la capa base com per la capa de millora. A causa de les dependències que hi ha entre aquestes capes, la partició i el conjunt de tècniques de codificació per la capa de millora dependran de les decisions preses en la capa base. Donat que aquest tipus de solucions generalment són molt costoses computacionalment, també es proposa una solució que no té en compte aquestes dependències.<br/>Els algorismes obtinguts s'apliquen per extendre SESAME. El sistema de codificació extès, anomenat XSESAME suporta diferents tipus d'escalabilitat (PSNR, espaial i temporal) així com funcionalitats basades en el contingut i la possibilitat de seguiment d'objectes a través de la seqüència de video. El sistema de codificació permet utilitzar dos modes diferents pel que fa a la selecció de les regions de la partició de la capa de millora: El primer mode (supervisat) està pensat per utilitzar funcionalitats basades en el contingut. El segon mode (no supervisat) no suporta funcionalitats basades en el contingut i el seu objectiu és simplement obtenir una codificació òptima a la capa de millora.<br/>Un altre tema que s'ha investigat és la integració d'un mètode de seguiment d'objectes en el sistema de codificació. En el cas general, el seguiment d'objectes en seqüències de video és un problema molt complex. Si a més aquest seguiment es vol integrar en un sistema de codificació apareixen problemes addicionals degut a que els requisits necessaris per obtenir eficiència en la codificació poden entrar en conflicte amb els requisits per una bona precisió en el seguiment d'objectes. Aquesta aparent incompatibilitat es soluciona utilitzant un enfocament basat en una doble partició de cada quadre de la seqüència. La partició que s'utilitza per la codificació es resegmenta utilitzant criteris purament espaials. Al projectar aquesta segona partició permet una millor adaptació dels contorns de l'objecte a seguir. L'excés de regions que implicaria aquesta re-segmentació s'elimina amb una etapa de fusió de regions realitzada a posteriori.

En este trabajo se estudia el problema de la compresión de vídeo utilizando funcionalidades basadas en el contenido en el marco teórico de los sistemas de codificación de secuencias de vídeo basados en regiones. Se tratan básicamente dos problemas: El primero está relacionado con la obtención de una codificación óptima en sistemas de codificación de vídeo basados en regiones. En concreto, se muestra como se puede utilizar un metodología de 'rate-distortion' para este tipo de problemas. El segundo problema tratado es como introducir funcionalidades basadas en el contenido en uno de estos sistemas de codificación de vídeo.<br/>La teoría de 'rate-distortion' define la optimalidad en la codificación como la representación de una señal que, para un tasa de bits dada, resulta en una distorsión mínima al reconstruir la señal. En el caso de sistemas de codificación basados en regiones, esto implica obtener una partición óptima y al mismo tiempo, un reparto óptimo de los bits entre las diferentes regiones de esta partición. Este problema se formaliza para sistemas de codificación no escalables y se propone un algoritmo para solucionar este problema. Este algoritmo se aplica a un sistema de codificación concreto llamado SESAME. En SESAME, cada cuadro de la secuencia de vídeo se segmenta en un conjunto de regiones que se codifican de forma independiente. La segmentación se hace siguiendo criterios de homogeneidad espacial y temporal. Para eliminar la redundancia temporal, se utiliza un sistema predictivo basado en la información de movimiento tanto para la partición como para la textura. El sistema permite seguir la evolución temporal de cada región a lo largo de la secuencia. Los resultados de la codificación son óptimos (o casi-óptimos) para el marco dado en un sentido de 'rate-distortion'. El proceso de codificación incluye encontrar una partición óptima y también encontrar la técnica de codificación y nivel de calidad más adecuados para cada región.<br/>Más adelante se investiga el problema de la codificación de vídeo en sistemas con escalabilidad y que suporten funcionalidades basadas en el contenido. El problema se generaliza incluyendo en el esquema de codificación las dependencias espaciales y temporales entre los diferentes cuadros o entre las diferentes capas de escalabilidad. En este caso, la solución requiere encontrar la partición óptima y las técnicas de codificación de textura óptimas tanto para la capa base como para la capa de mejora. A causa de les dependencias que hay entre estas capas, la partición y el conjunto de técnicas de codificación para la capa de mejora dependerán de las decisiones tomadas en la capa base. Dado que este tipo de soluciones generalmente son muy costosas computacionalmente, también se propone una solución que no tiene en cuenta estas dependencias.<br/>Los algoritmos obtenido se usan en la extensión de SESAME. El sistema de codificación extendido, llamado XSESAME soporta diferentes tipos de escalabilidad (PSNR, espacial y temporal) así como funcionalidades basadas en el contenido y la posibilidad de seguimiento de objetos a través de la secuencia de vídeo. El sistema de codificación permite utilizar dos modos diferentes por lo que hace referencia a la selección de les regiones de la partición de la capa de mejora: <br/>El primer modo (supervisado) está pensado para utilizar funcionalidades basadas en el contenido. El segundo modo (no supervisado) no soporta funcionalidades basadas en el contenido y su objetivo es simplemente obtener una codificación óptima en la capa de mejora.<br/>Otro tema investigado es la integración de un método de seguimiento de objetos en el sistema de codificación.<br/>En el caso general, el seguimiento de objetos en secuencias de vídeo es un problema muy complejo. Si este seguimiento se quiere integrar en un sistema de codificación aparecen problemas adicionales debido a que los requisitos necesarios para obtener eficiencia en la codificación <br/>pueden entrar en conflicto con los requisitos para obtener una buena precisión en el seguimiento de objetos. Esta aparente incompatibilidad se soluciona usando un enfoque basado en una doble partición de cada cuadro de la secuencia. La partición que se usa para codificar se resegmenta usando criterios puramente espaciales. Proyectando esta segunda partición se obtiene una mejor adaptación de los contornos al objeto a seguir. El exceso de regiones que implicaría esta resegmentación se elimina con una etapa de fusión de regiones realizada a posteriori.

This work addresses the problem of video compression with content-based functionalities in the framework of segmentation-based video coding systems. Two major problems are considered. The first one is related with coding optimality in segmentation-based coding systems. Regarding this subject, the feasibility of a rate-distortion approach for a complete region-based coding system is shown. The second one is how to address content-based functionalities in the coding system proposed as a solution of the first problem. <br/>Optimality, as defined in the framework of rate-distortion theory, deals with obtaining a representation of the video sequence that leads to a minimum distortion of the coded signal for a given bit budget. In the case of segmentation-based coding systems this means to obtain an 'optimal' partition together with the best coding technique for each region of this partition so that the result is optimal in an operational rate-distortion sense. The problem is formalized for independent, non-scalable coding.<br/>An algorithm to solve this problem is provided as well.<br/>This algorithms is applied to a specific segmentation-based coding system, the so called SESAME. In SESAME, each frame is segmented into a set of regions, that are coded independently. Segmentation involves both spatial and motion homogeneity criteria. To exploit temporal redundancy, a prediction for both the partition and the texture of the current frame is created by using motion information. The time evolution of each region is defined along the sequence (time tracking). The results are optimal (or near-optimal) for the given framework in a rate-distortion sense. The definition of the coding strategy involves a global optimization of the partition as well as of the coding technique/quality level for each region. <br/>Later, the investigation is also extended to the problem of video coding optimization in the framework of a scalable video coding system that can address content-based functionalities. The focus is set in the various types of content-based scalability and object tracking. The generality of the problem has also been extended by including the spatial and temporal dependencies between frames and scalability layers into the optimization schema. In this case the solution implies finding the optimal partition and set of quantizers for both the base and the enhancement layers. Due to the coding dependencies of the enhancement layer with respect to the base layer, the partition and the set of quantizers of the enhancement layer depend on the decisions made on the base layer. Also, a solution for the independent optimization problem (i.e. without tacking into account dependencies between different frames of scalability layers) has been proposed to reduce the computational complexity. <br/>These solutions are used to extend the SESAME coding system. The extended coding system, named XSESAME, supports different types of scalability (PSNR, Spatial and temporal) as well as content-based functionalities, such as content-based scalability and object tracking. <br/>Two different operating modes for region selection in the enhancement layer have been presented: One (supervised) aimed at providing content-based functionalities at the enhancement layer and the other (unsupervised) aimed at coding efficiency, without content-based functionalities. <br/>Integration of object tracking into the segmentation-based coding system is also investigated.<br/>In the general case, tracking is a very complex problem. If this capability has to be integrated into a coding system, additional problems arise due to conflicting requirements between coding efficiency and tracking accuracy. This is solved by using a double partition approach, where pure spatial criteria are used to re-segment the partition used for coding. The projection of the re-segmented partition results in more precise adaptation to object contours. A merging step is performed a posteriori to eliminate the excess of regions originated by the re-segmentation.